1.서 론

2015년 한해 국내에 입출항한 선박은 총 395,000여척, 화 물운송은 14,620백만톤으로 국가간 해상을 통한 무역증대로 해상교통량은 지속적으로 증가하고 있다(SP-IDC, 2015). 또 한, 바다에 대한 국민들의 관심증가에 따른 해상안전 및 해 상치안 수요의 확대로 국민안전처 소속 경비함정의 임무와 역할은 중요해졌다. 따라서, 신속하고 효과적인 해양사고의 대응을 위해 경비함정의 출동에 문제가 없도록 경비함정의 관리에 철저한 점검이 필요하다. 현재 경비함정에 사용되는 주기관은 대부분이 고속 디젤기관인 MTU엔진으로, 연료유 가 갖는 화학적 에너지가 피스톤의 상·하 왕복운동으로 실린 더내의 부피변화를 일으켜 흡입·압축·폭발·배기 과정을 반복적 으로 시행하면서 기계적인 일로 전환시키는 내연기관이다.

경비함정이 채택한 선박용 디젤기관은 엔진의 고속, 고출 력화에 따라 윤활유의 역할이 매우 중요하다. 대부분의 자 동차 제작사 및 관련 연구에서는 최적의 엔진성능 향상을 위해 윤활유의 성능 적합성에 대한 다양한 검토와 실험이 진행되었으며, 윤활유의 열화시간에 따른 윤활유의 특성변 화 분석으로 경유 희석량 및 soot/carbon 생성물, 첨가제의 산 화 등 피스톤링 및 라이너의 마모에 관한 상관관계를 확인 했다(Jeon and Kim, 2005; 2007; Jeon et al., 2011). 현재, 자동차 엔진의 경우 연료유 혼입에 대한 연구는 지속적으로 이루어 져 연료유 혼입에 대한 제한을 6 ~ 10 %로 하고 있다(Kim and Kim, 2005). 그러나, 자동차 윤활유에 대한 연구에 비해 경비 함정에 채용된 고속 디젤엔진 및 윤활유에 대한 연구는 매 우 부족한 실정이다. 일반 자동차에 비해 장시간의 항해, 다 양한 해상변화 및 급격한 엔진가속 등 엔진의 부하변동이 많은 조건에서 윤활유는 그 기능을 쉽게 상실할 수 있다. 자 동차의 운행시간 및 운행거리가 증가되면서 윤활유의 열화가 가속화 될 수 있으며, 이는 경비함정 주기관인 고속 디젤기관 엔진에서도 동일하게 나타날 수 있다(Jeon et al., 2012; 2014).

경비함정의 출동시간이 증가되면서 고속 디젤기관 윤활 유의 열화는 증가하게 되며, 이것은 윤활유 내 연료유, 수분 및 첨가제의 산화 등으로 윤활유 수명을 단축시키는 주요 원인이 된다. 엔진 가동율에 따른 엔진제조사의 시험절차 및 방법에 의거하여 윤활유의 교환주기를 결정하고 있으며, 이를 근거하여 경비함정의 주기관 윤활유도 주기적으로 교 체를 실시하고 있다(Jung, 2009). 그러나, 해상의 기상상태 변 화, 항해시간, 급가속 등 여러 가지 항행 조건에 따라 윤활 유 교체주기를 고려하여야 하며, 윤활유의 교체주기 연장을 위한 성능분석 연구가 이루어져야 한다.

경비함정의 고속 디젤엔진이 갖는 다양한 운항조건에 따 른 연료유 혼입은 엔진내부 운동부 마모의 주요 원인이 되 며, 엔진성능 저하와 함께 엔진파손에 이를 수도 있다. 특히, 연료분사노즐의 파손 및 노후화로 인한 부정확한 연료분사 는 윤활유로 연료유의 혼입량을 증가시키며 이것은 미연소 연료와 윤활유가 혼합되어 윤활유의 점도가 감소함으로써 피스톤링 및 라이너의 마모를 촉진한다. 따라서, 윤활유 내 연료유가 혼입되면서 발생하는 점도감소로 엔진의 출력감 소 및 정비일수가 증가될 수 있어 경비함정의 운용에 막대 한 영향을 줄 수 있으며, 이는 해상안전 및 치안활동에 공백 을 일으킬 수 있다. 윤활유에 대한 해상용 경유혼입의 영향 은 경비함정 주기관의 효율적 관리를 위한 윤활유 분석사례 결과에서 경비함정 66척을 대상으로 분석한 결과, 해상용 경 유가 3 % 이상 혼입된 함정 7척에서 주기관의 압력저하 등 엔진효율이 떨어지는 경향이 나타났다(Lee et al., 2012).

한편, 온도증가에 따른 유체의 점도감소 및 전단면에서의 응력감소 등 유변학적 물성을 갖는 윤활유의 성능시험은 고 속 디젤엔진에서 윤활유의 교환주기 결정 등 고속 디젤기관 및 윤활유 연구에 필요하다(Kontopoulou, 2011). 따라서 이 연 구에서는 MTU엔진을 사용하는 국민안전처 소속 경비함정 의 주기관인 고속 디젤엔진에서 윤활유에 해상용 경유가 혼 입하는 경우 윤활유의 점도 및 전단응력 변화 등 유변학적 거동을 실험적으로 고찰하고자 한다.

2.재료 및 방법

2.1재료

본 연구에서 사용한 윤활유는 고속 디젤기관용으로, 선박 용윤활유(SAE40, 단급점도유, S-OIL TOTAL LUBRICANTS)를 사용하였으며, 윤활유의 연료희석을 위해 사용된 연료유는 황함유량이 0.05 wt%인 해상용 경유(MGO, Marine Gas Oil, 현 대오일뱅크)이다. 윤활유 및 MGO의 기본적인 물리적 특성 은 ASTM 규정을 적용하여 분석하였으며, 그 측정값은 Table 1과 같다.

경비함정에 사용되는 고속 디젤기관에서 윤활유에 해상 용 경유의 혼입에 대한 영향을 알 수 있는 실험자료 및 기초 연구 자료가 부족하여 자동차 제조사 및 자동차 엔진 전문 업체에서 권고하는 윤활유에 대한 경유 희석 한계값을 실험 적 data를 기반으로 6 ~ 10 % 정도를 제안한 Kim and Kim(2008) 방법에 따라 연구를 진행하였다.

본 연구에서는 경비함정에 사용되는 고속 디젤엔진 윤활유 에 MGO를 3 ~ 20 % 희석(3 %, 6 %, 10 %, 15 %, 20 %)하여 실온 에서 magnetic stirrer로 30분 동안 충분히 혼합하여 윤활유에 대한 점도 및 전단응력 변화 등 유변학적 거동을 연구하였다.

2.2유변학적 거동(Rheological behavior) 측정

항온유지 및 윤활유 시료를 측정하기 위한 vessel chamber 가 부착된 회전형 점도계(Brookfield Viscometer)를 사용하여 해 상용 경유가 희석된 윤활유에 대한 절대점도(absolute viscosity), 전단응력(shear stress) 및 전단율(shear rate) 등 유변학적 거동 을 측정하였다. 측정온도는 윤활유의 작동온도 범위를 고려 하여 -10°C ~ 80°C 범위에서 실시하였다.

3.결과 및 고찰

3.1물리적 특성

본 연구를 위해 사용된 고속 디젤기관용 윤활유는 SAE 40(단급 점도유)으로, 국민안전처 소속 경비함정에서 사용되 는 윤활유이다. 또한, 연료유는 황 함유량이 0.05 wt%인 해상 용 경유(MGO)로, 윤활유에 0 ~ 20 %(0, 3, 6, 10, 15, 20 %)를 희석하여 점도특성 및 밀도변화를 측정하였으며, 그 결과는 Table 2와 같이 나타났다.

연료유 희석량에 따른 동점도(Kinematic viscosity)는 윤활 유에 점도가 낮은 MGO의 혼입량이 증가함에 따라 점진적으 로 감소하는 경향을 보였다. 100°C 에서의 동점도는 MGO가 3 % 혼입된 윤활유는 혼합되지 않은 윤활유보다 8.7 % 감소 하고, 6 % 혼입된 윤활유는 19 % 감소, 10 %가 혼입된 윤활 유는 25.7 % 감소, 15 %가 혼입된 윤활유는 33.6 % 감소, 20 % 가 혼입된 윤활유는 43 %가 감소하였다. 이것은 윤활유에 MGO가 혼입됨에 따라 실린더 라이너 내부에 유막형성을 어 렵게 만들어 피스톤링의 마모증대 등 기계적 손실이 증가할 것으로 예상된다.

온도변화에 따른 점도의 변화정도를 나타내는 점도지수 (Viscosity Index)는 MGO 혼입량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였다. MGO가 10 %가 혼입된 윤활유는 혼합되지 않은 윤활유의 점도지수 보다 6.3 % 증가하고, 20 %가 혼입 된 윤활유는 14.4 %의 점도지수 증가를 보였다. 이것은 점도 가 낮은 MGO가 윤활유에 혼입됨에 따라 점도지수가 높아지 며, MGO의 혼입이 윤활유의 점도지수에도 영향을 미치는 결과를 보였다.

동점도 및 점도지수와 함께 윤활유의 주요 인자인 밀도는 윤활유에 비해 상대적으로 밀도가 낮은 MGO가 혼입됨에 따 라 동점도의 변화와 유사하게 감소하는 경향을 보였다. MGO가 6 % 혼입된 윤활유는 MGO가 혼합되지 않은 윤활유 보다 밀도가 1.1 % 감소하고, 20 %가 혼입된 윤활유의 동점 도는 5.2 %의 밀도감소를 보였으며, 윤활유의 밀도변화를 통 해 점도변화 및 불순물의 혼입 등을 예측할 수 있을 것으로 판단된다.

3.2유변학적 거동

Fig. 1 ~ 2는 본 연구에서 사용된 MGO가 혼입된 윤활유의 유변학적 거동을 확인하기 위해 윤활유 온도 20°C 에서의 전 단율에 대한 전단응력 및 점도를 측정한 결과를 나타낸 것 이다.

Fig. 1은 MGO가 희석되지 않은 윤활유나 MGO가 희석된 윤활유 모두 전단율이 증가할수록 전단응력이 증가하는 전 형적인 뉴턴유체 거동을 보였다(Kontopoulou, 2011). MGO의 희석량이 증가할수록 윤활유의 전단응력은 감소하는 경향 을 보이며, 전단율이 34 S^-1에서 MGO가 3 % 혼입된 윤활유 는 혼합되지 않은 윤활유보다 12.9 % 감소하고, 6 % 혼입된 윤활유는 24.6 % 감소, 10 %가 혼입된 윤활유는 36.5 % 감소 하고, 15 %가 혼입된 윤활유는 50 %가 감소하고, 20 %가 혼 입된 윤활유는 58.3 %가 감소하였다. 이것은 윤활유 내 MGO 함유량이 증가할수록 실린더 벽면의 윤활층을 유지하는 전 단응력의 약화가 일어났기 때문으로 판단된다.

Fig. 2는 전단율이 증가할수록 윤활유의 절대점도(absolute viscosity)는 MGO 함유량에 따른 점도차이만 있을 뿐 일정하게 유지하는 점도특성을 보이고 있다. 전단율이 34 S^-1에서 MGO 가 3 % 혼입된 윤활유는 혼합되지 않은 윤활유보다 12.8 % 감소하고, 6 % 혼입된 윤활유는 24.3 % 감소, 10 %가 혼입된 윤활유는 36.5 % 감소하고, 15 %가 혼입된 윤활유는 50 %가 감소하고, 20 %가 혼입된 윤활유는 58.3 %가 감소하였다. Fig. 1과 Fig. 2에서 전단율에 따른 전단응력 증가 및 점도유지 특 성은 고속 디젤기관에 사용되는 윤활유에 MGO가 혼입되어 도 뉴턴유체라는 것을 확인할 수 있다(Kim and Kim, 2008).

Fig 3은 온도변화에 따른 MGO가 혼입된 윤활유의 점도변 화 특성을 보여주고 있다.

일반적으로 윤활유는 온도가 증가할수록 점도가 점진적 으로 감소하는 뉴턴유체 거동을 보이게 되며, 이는 광유계 윤활유의 전형적인 특성을 나타낸다(Kim and Kim, 2005). MGO가 희석되지 않은 윤활유나 MGO가 희석된 윤활유 모 두 온도가 증가할수록 절대점도(absolute viscosity)가 감소하 는 것을 확인할 수 있다.

40°C 이후 고온으로 증가할수록 윤활유의 점도특성은 MGO의 혼입량에 영향을 거의 받지 않는데, 이는 윤활유에 혼입된 경유의 휘발에 따른 희석량의 감소로 윤활유에 미치 는 점도의 영향이 줄어들기 때문이다(Kim and Kim, 2008). MGO는 윤활유에 비해 끓는점이 낮기 때문에 엔진내부의 온 도가 증가함에 따라 증발하려는 경향을 가지고 있으며, 실 제 작동온도에서 증발하는 연료유는 약 54 % 정도인 것으로 알려져 있다(Kim and Kim, 2005). 그러나, 저온에서의 점도는 MGO 혼입량이 증가에 따라 급격히 감소하는 경향을 보였 다. 10°C 에서 MGO가 3 % 혼입된 윤활유는 혼합되지 않은 윤 활유보다 8.7 % 감소하고, 6 % 혼입된 윤활유는 19.6 % 감소하 고, 10 % 혼입된 윤활유는 37.3 % 감소하고, 15 % 혼입된 윤 활유는 51.8 % 감소하고, 20 % 혼입된 윤활유는 60.6 % 감소 하였다. -10°C 에서는 MGO가 3 % 혼입될 경우 11.9 % 감소, 6 %일 경우 25.3 % 감소, 10 % 혼입될 경우 38.1 % 감소, 15 % 혼입된 윤활유는 58 % 감소하고, 20 %가 혼입될 경우 70 %로 점도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig 4는 저온(-10°C)에서의 MGO 혼입량에 대한 윤활유의 전단응력 특성을 보여주고 있다. MGO가 혼입된 윤활유는 저온에서도 전단율의 증가에 따라 전단응력이 증가하는 뉴 턴유체 거동을 보이는 것을 확인할 수 있다. 전단율 10.2 S^-1 에서 전단응력은 MGO가 3 % 혼입된 윤활유의 전단응력은 혼입되지 않은 윤활유 전단응력의 12.5 %로 감소하고, 6 % 혼입될 경우 24.9 %로 감소하고, 10 %가 혼입될 경우 38.1 % 로 감소하며, 15 % 혼입될 경우 58 % 감소하고, 20 %가 혼입 될 경우 66.7 %로 현저히 낮아졌다. 이처럼 저온에서 MGO 혼입에 따른 점도감소 및 전단응력의 급격한 감소는 고속의 피스톤 운동부의 유막형성을 어렵게 만들고, 베어링 등의 윤활에 어려움을 야기시켜 따라서, 고속 디젤기관의 온도가 상대적으로 낮은 운항초기 및 겨울철의 윤활유 상태점검에 각별히 주의를 기울여야 할 것으로 사료된다(Kim and Kim, 2005).

4.결 론

경비함정에 채용된 고속 디젤기관은 좁은 기관실 내에 설 치되어 잦은 속도변경에 의한 부하변동, 해상의 파랑 등 기 상조건 악화에 따른 롤링, 피칭 등의 급격한 부하 변화에도 견디어 내야 한다. 고속 디젤 엔진의 실린더 내 피스톤의 고 속 왕복운동 시 마찰을 최소화하기 위해 윤활유의 성능유지 는 필수적이며, 연료분사노즐 등을 통한 연료유의 윤활유로 의 유입은 노후 된 선박일수록 그 유입량이 증가될 수 있다. 이는 윤활유의 점도를 감소시키고 실린더 내벽 유막형성의 불량으로 피스톤의 마찰을 증가시키는 중요 인자가 된다.

윤활유에 연료유 혼입량에 따른 점도 및 전단응력 감소에 대해 실험적으로 수행한 본 연구에서는 윤활유에 MGO 희석 량을 3 %, 6 %, 10 %, 15 %, 20 %로 증가하여 측정하였지만, 실제 윤활유 내 MGO 혼입량은 경비함정의 항해조건에 따라 변하게 된다. MGO가 10 %까지 혼입된 윤활유의 전단응력 및 절대점도(absolute viscosity)는 MGO가 혼입되지 않은 윤활 유에 비해 40 % 이내로 감소하였다. 반면, MGO가 15 % 이상 혼입된 윤활유는 전단응력(shear stress) 및 절대점도(absolute viscosity)가 50 % 이상 감소하였다.

윤활유의 교체주기를 주로 결정하는 디젤기관 엔진 가동 율 및 전염기가(TBN, Total Base Number) 측정 등과 함께 연 료유 혼입율은 윤활유 성능검사의 중요한 항목이다. 고속 디젤기관을 사용하는 경비함정은 다양한 운항조건에서 윤 활유에 해상용 경유 유입의 가능성이 높아, 주기적인 윤활 유의 성능검사를 통해 윤활유의 상태를 확인하여 윤활유 교 체시기를 놓치는 경우가 발생하지 않도록 주의해야 한다.

향후, 윤활유내 연료유 혼입에 의한 고온에서의 soot/carbon residue, 산화도(Oil oxidation) 및 질화도(Oil nitration) 변화 등 의 연구를 통해 윤활유의 열화상태 연구가 필요하며, 경비 함정 주기관용 윤활유의 성능향상 및 개선에 관한 연구를 지속적으로 수행하고자 한다.